刘心田 苏州工业园区激光产业创新联盟 中国古字砖文化研究与保护中心

　　作者简介：

　　刘心田教授，喜寿年岁，文理兼做。不仅从事激光加工、红外器件工艺及高温超导体等的高科技研究;在古文明、文字学和书法等领域也有良好探索。曾发表论文“夏代‘启’字祭台遗址与图腾组合的发现与考证”、“从夏启祭台遗址探寻巴文化遗存”、“禹治水考察记——堌堆为禹治水遗存”、“从堌堆流布说上海广富林遗址属王油坊类型”与“双墩遗址一些陶刻符号的指事功能”和“从汉篆‘万岁不败’论说篆变和民间推动文字演化的作用”等。其中引进自然科学知识进行文史研究颇具特色，如在郗璇墓志铭考察中，引用计算技术来评说王羲之隶书，很有新意。平时也爱好诗词书法，大字米寿配诗词有人收藏，并提倡硬笔书法的研究。

　　1 引言

　　二战后，美国取得世界头号强国的地位，并以世界警察自居，时常使用U-2 高空侦察飞机对苏联、中国、古巴和越南等国进行大量的侦察飞行，以窃取他国**情报。侦察机取名“Utility-2”，意为“获取实利”，正是其本意所在。1962-1967 年间，我国击落“U-2”侦察机共5 架。其中，1965 年1月在包头击落了台湾蒋军驾驶的一架“U-2”侦察机，从飞机残骸中获得了D-2 窄视场照相机和严重损坏的F-2 红外扫描相机。它们是负责白天黑夜侦察的主要设备，也是当时国际上最为先进的红外高技术产品。那时中国的红外技术尚处在襁褓之中，这无疑成为美国人馈赠给我们的一份“厚礼”，使我们以此为契机进行解剖分析，然后仿制。

　　所谓红外扫描相机，是集光学、电子学与机械于一身的摄像仪器。它由两维动作形成平面图像，飞机飞行是一维，而相机的一个横向转动的四方棱镜为另一维，对准行进中的地面构成扫描成像，其工作原理如图1 所示。

　　摄像机的核心部件是锗掺汞(Ge:Hg)红外探测器，是大气窗口热红外响应波段，适用于夜间摄像。它尽管只有mm2 级微小物件，却可以接收地面目标红外信息并转换成电学信号记录(如照相)下来。因此，解剖并掌握这套技术成为我们当时的首要任务。

　　2 意外爆炸

　　众所周知，作为光电转换元件，锗掺汞红外探测器必须在低温30 K(-243℃)的环境中才能工作。当时，只有液态氢满足这一要求，它的温度为20 K(-253℃ )。因此，选用液氢进行解剖测试成为了唯一的解决办法。上海技术物理所有低温试验生产液氢的条件，于是由连志超博士牵头，和昆明物理所、洛阳612 所等单位组成了联合测试组开展工作。

　　1965年4月9日，星期五，那是一个宁静的夜晚，月朗星稀，在月光的照耀下，一切都显得那么安详。上海技术物理所实验楼412 房间仍然还亮着灯光，这是连志超等人正在奋战测试。晚上约9 时，412 房间突然一声巨响划破了寂静的夜空，随即造成临近六间房间严重破坏。巨大的声响惊扰到了附近的人们。人们分别从四面八方　　奔向事故地点，并不断听到有人传出：“实验出事了，发生爆炸!”这次爆炸共造成2 死14 伤，伤势最重的吴名权住院一年多才康复出院。

　　对于爆炸原因，在当时的分析报告中有清楚地记载：“4 月9 日上午约10 点钟，装有15 升液氢杜瓦瓶抬进实验室，经过自然挥发、电加热蒸发以及导线、样品搅动加速挥发等约11 个小时后，在密闭的房间内混有大量氢气，当空气中含氢量在4%~75% 时，遇有明火立即爆燃。”计算表明，在11 个小时里，液氢气化了6 升，这意味着在这个约20 m2 的房间内混有大量氢气，潜伏危险早已埋下。

　　事实也验证了这个推断。挥发的-253℃的液氢仍是深低温冷气，在杜瓦瓶出气口必然凝结了空气中的水汽而结成了冰疙瘩，并且体积越积越大。为了热解冰块，实验人员使用了电吹风，于是，悲剧发生了：吹风机一打开，电火花立即引起氢气爆燃，紧接着是余下的9 升液氢的爆炸!实际上，瞬间发生的是爆燃与爆炸两个声响，只不过后者威力更大，犹如一个重磅炸弹，破坏了多个房间，气浪掀开了多个实验室的门窗，玻璃窗被震碎，所有灯全部熄灭，整个走廊弥漫着呛鼻地烟尘。图2 就是当时实验测试用得液氢杜瓦瓶结构图，紫铜胆与不锈钢壳体等完全就是一个炸弹的结构。金属壳体弹片击中连志超博士身上多处要害，他的头、肩被砖块、水泥埋住，最终鲜血流尽，英魂远去。

　　3 遗志完成

　　爆炸事故痛定思痛之后，未竟事业需要继续完成。当务之急要在爆炸的废墟中搜寻到锗掺汞红外元件。上级下了死命令，不论花多大代价一定要找到这个元件。由于大楼碎片散落在200 m 开外的范围，于是大家开始筛查，不放过一点点蛛丝马迹，白天找，夜晚寻，犹如大海捞针，时光在焦急中一点一点流淌而逝。参加课题工作的钱定榕苦思冥想，他猜测这个“宝贝元件”十有八九还在杜瓦瓶内，真是不幸中的大幸，元件果然还安睡在原位。

　　找到元件后，所领导重新组织调配人力，元件的分析、回复与研制工作有条不紊地进行着。由于原实验室已毁坏，实验工作迁移至低温楼进行。所长亲自坐镇，大家也更加努力、谨慎，相关的安全条例立刻制定了出来，并认真严格执行，甚至进实验室不许穿钉鞋和带钥匙，以防与地上摩擦，碰出火花。当然液氢杜瓦瓶的使用也由相关技术人员配合操作，以防意外。这样在全体人员的通力合作下，两个月后，交出了一份令人满意的测试分析报告，并获得上级领导的肯定。

　　由于红外扫描相机是集光机电于一体的摄像仪器，与锗掺汞探测器配套的前置放大器、斯特林循环30 K 微型制冷机、光电转换器、斯密特光学汇聚系统以及高精度铝扫描棱镜等，也都相继完成了测试修复。经过联合调测后，历时4 个月顺利完成了红外相机的恢复和试飞任务，所拍摄到的相片与缴获的U-2 飞机上的原照片基本相同。它还表明我们已初步掌握了红外扫描相机的工作原理与相关技术，可以告慰连志超、黄心源两位烈士的在天之灵!

　　4 安全液氖

　　为了安全试验，必须找到新的低温源以替代液氢。调查表明，惰性气体氖(Ne)极为理想。液态氖温度为27 K(-246℃ )，完全满足锗掺汞探测器30 K 的工作要求，为此液化氖气被提到了研制的日程上。

　　所谓惰性气体是其分子由单个原子组成，它的最外层电子为ns2np6，是最稳定的结构，化学性质极不活泼，主要来源于空气中，且量极少，约万分之几，故又被称之为稀有气体。我们联系了上海吴淞化工厂，他们答应可以把氦气的副产品氖气提供。而关键是如何液化氖气，这成为研究实验的新课题。经过分析论证计算决定采用氢液化设备，适当改造后进行氖气液化。图3 为氖气液化工艺流程图。从图中可以看出它与氢气液化工艺流程大同小异，技术的关键是要确定节流冷凝的压力、氖气在什么温度下节流产生冷效应以及氖气内杂质的清除。

　　总之，通过精确地计算论证解决了一系列技术问题，终于迎来了液化氖气的日子。这一天阳光明媚，压缩机“嗒嗒嗒……”转动声轻快有力，从进气压缩预冷到30atm 节流出液氖很是顺利，大家紧绷着的心立刻放下了，从此为锗掺汞器件提供了新的安全低温源，排除了使用液氢的危险隐患，真可谓“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越!”由于是国内首次液化氖气，因此该项目被列为杭州低温工程会议特邀报告。

　　鉴于液化氖是参加工作5 个月，自己贸然提出的硬任务，能够一次成功，也算幸运，兹以小词——《破阵子》记之。

　　5 余声

　　红外技术经过50年的发展，已是蔚然大观：早期的锗掺汞探测器早已为77 K(-196℃ ) 的碲镉汞所代替，其他品种还有InSb,PbSnTe 等，而且是单元、线阵和面阵器件，应有尽有。整机仪器已是航空、航天高度的侦察、地球资源、气象和海洋等领域广泛应用。今天可以豪迈地说：英雄先烈们，安息吧!

原文刊载：刘心田. U-2红外相机解剖的那些事 —— 兼连志超博士50周年祭[J]. 光电产品与资讯, 2015, 6(3): 47～49